Gyvybiškas rankų protezavimas

Žmonės, netekę rankos, tradiciškai neturėjo daug vilčių kada nors atgauti prasmingą funkciją. Rankų protezavimas buvo valdomas elementariai, liekamuosius peties judesius ar raumenų signalus paverčiant paprasčiausiomis judesių komandomis. Šios dirbtinės rankos negali padaryti dviejų dalykų vienu metu, tuo labiau trijų ar keturių. Amputuoti asmenys dažnai išmeta juos į spintą iš visiško nusivylimo, kurį šiek tiek gniuždo faktas, kad amputuoti kojos turi daug geresnių produktų.

Bioninė ranka: Po naujos chirurginės procedūros Claudia Mitchell gali valdyti protezuotą ranką taip, kaip kadaise kontroliavo tikrąją ranką, atlikdama sudėtingus judesius, pavyzdžiui, paimdama mažus daiktus ir įmesdama juos į puodelį.

Tačiau padėtis pradeda keistis dėl komandos, kuriai vadovauja Čikagos bioninės medicinos centro reabilitacijos instituto direktorius Toddas Kuikenas. Kuikenas sukūrė naują chirurginę techniką, kurią suporavus su jau rinkoje esančiais motorizuotomis protezinėmis rankomis ir eksperimentinėmis bioninėmis rankomis, sukurtomis pagal gynybos pažangių tyrimų projektų agentūros (DARPA) programą, amputuojamiems asmenims suteikiamas nepaprastas vikrumas. Claudia Mitchell, kuri 2004 m. neteko rankos sudužus motociklui, prisimena, kad po Kuikeno procedūros užsidėjo protezą ir pirmą kartą pamatė, kaip jis veikia: Tu negalėjai nuvalyti tos šypsenos nuo mano veido. Dabar vėl galiu išlyginti marškinius kaip niekieno reikalas. Mitchellas tapo vakarėlių hitu. Žmonės negali patikėti, kaip tai veikia, sako ji. Jie nori matyti, kaip aš su juo ką nors darau.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Prietaisas įjungiamas komandomis iš išlikusių rankos nervų, kurie buvo persodinti ir prijungti prie raumenų kitur – paprastai, kaip Mitchello atveju, krūtinėje. Nervai siunčia elektrinius signalus, kad valdytų protezuotą ranką, o rezultatai tokie natūralūs, kad stebėtojai dažnai nesuvokia, kad ranka yra bioninė, kol įdėmiai nesiklauso, ar nesigirdi sūkuriuojančių variklių garso. Procedūra, vadinama tiksline raumenų reinervacija, yra unikali, nes leidžia intuityviai valdyti roboto galūnę. Po maždaug šešių mėnesių gijimo pacientai gali judinti ranką tik galvodami apie tai, ko jie nori, kaip kadaise darė su savo tikrosiomis rankomis. Pasakykite Mitchell'ui, sulenkite ranką, ir jos krūtinės raumenys akimirksniu suvirps – tai nuostabiausias vaizdas. Tačiau apie krūtinės raumenų judėjimą ji negalvoja. Atvirkščiai, ji galvoja apie rankos sulenkimą, ir ši mintis išjudina krūtinės raumenis, kad roboto ranka atliktų jos reikalavimą.

Kuikenas neseniai paskelbė daug žadančius bandymų rezultatus Amerikos medicinos asociacijos žurnalas , rodantis, kad penki pacientai, kuriems buvo liepta atlikti 10 skirtingų rankų judesių su virtualiu protezu, galėjo tai padaryti beveik taip pat lengvai, kaip ir neamputuoti kontrolinėje grupėje: jų reakcijos laikas buvo mažiau nei ketvirtadaliu sekundės ilgesnis. (Virtualus protezas leidžia mokslininkams lengviau išsiaiškinti greitį ir valdymo lygį, kurį galima gauti iš raumenų signalų. Tyrėjai atliko panašius eksperimentus su mechaninėmis rankomis.) Pridedamame vedamajame pranešime novatoriškas biomedicinos inžinierius Geraldas Loebas rašė: Greitis kaip taip pat judesių tikslumas yra esminis patobulinimas, palyginti su ankstesnėmis sistemomis. Tačiau dar svarbiau yra tai, kad pacientai išmoko atlikti užduotis, reikalaujančias koordinuoto judesio daugiau nei viename sąnaryje. Jis padarė išvadą: Didėjant funkcinėms galimybėms, pacientai, kuriems buvo amputuotos viršutinės galūnės, gali gauti išskirtinės naudos iš rankų protezavimo, lygiai taip pat, kaip dabar daugybė pacientų, kuriems buvo amputuotos apatinės galūnės, gyvena nepaprastai įprastą ir net atletišką gyvenimą. (Kojų protezai buvo tobulinami, nes jiems yra didesnė rinka: 90 procentų amputuotų asmenų neteko apatinių galūnių. Be to, kojoms nereikia tiek vikrumo, kiek rankomis.)

Kelionė nuo pirminės konsultacijos Čikagoje iki visiško funkcionalumo – tarkime, galimybės pjaustyti citriną su protezu, laikant ją natūralia ranka – dažnai užtrunka metus ar ilgiau. Pirmiausia pacientams atliekama dviejų valandų trukmės operacija, kurią atlieka Gregas Dumanianas, Čikagos plastikos ir rankų chirurgas, glaudžiai bendradarbiavęs su Kuikenu kuriant procedūrą. Dumanianas identifikuoja išlikusią nervų dalį, kuri anksčiau perdavė elektros signalus iš nugaros smegenų į prarastą galūnę; tada jis perkelia juos į krūtinės ar žasto raumenis. Pavyzdžiui, nervas, kuris paprastai priverstų ranką užsidaryti, gali būti perkeltas į dalį krūtinės raumens. (Tiksli procedūra skiriasi priklausomai nuo paciento sužalojimų.) Kai roboto ranka yra vietoje, elektrodas ant krūtinės aptinka šio raumens susitraukimus ir siunčia signalą į protezą. Protezas užprogramuotas interpretuoti šį signalą kaip komandą uždaryti ranką, o veiksmas paprastai įvyksta praėjus mažiau nei pusei sekundės po to, kai pajuda krūtinės raumuo.

Eksperimentinės bioninės rankos taip pat yra užprogramuotos su modelio atpažinimo algoritmais, kad iššifruotų greitas nervinių signalų serijas, kurios valdo rankų ir riešo judesius. Daugiau nei 30 pacientų, kuriems buvo atlikta procedūra, teigia, kad jiems nesunkiai pavyksta pjaustyti aitriąją papriką, atidaryti maišelį miltų, užsisegti diržą, išoperuoti matavimo juostą ar išimti iš konteinerio naują teniso kamuoliuką.

Tarp kelių eksperimentinių rankų protezavimo būdų, įskaitant nervų perkėlimą tiesiai į protezą ir judėjimo signalų dekodavimą tiesiai iš smegenų, Kuikeno technika padarė didžiausią pažangą. Pirmoji dar turi būti išbandyta su žmonėmis, o pastaroji šiuo metu laikoma pernelyg pavojinga daugumai pacientų, nes reikia smegenų operacijos. Kuikenas sako, kad tikslinę reinervaciją laiko greitesniu ir praktiškesniu būdu atstatyti esmines funkcijas. (Tačiau toks jo požiūris nepadės keturkampiams ligoniams, nes nervai turi būti nepažeisti, kad procedūra veiktų.) Kol kas procedūra atliekama tik Kuikeno reabilitacijos centre; vykstančių tyrimų metu centras siūlo jį bet kuriam pacientui, kuriam tai mediciniškai tinkama.

Nors eksperimentinis protezas yra pažangus, jam vis dar trūksta pagrindinės funkcijos: pojūčio. Jei Mitchell padėtų savo bioninę ranką ant karštos keptuvės, ji niekaip negalėtų žinoti jos temperatūros. Suteikti protezavimo jutimo galimybes, panašias į tikrosios galūnės, yra sudėtingiau nei atkurti judesius. Bet tai nėra neįmanoma. Nors Kuikeno procedūra sutelkta į judančius motorinius nervus, kurie perduoda nervinius signalus iš smegenų į raumenis, atrodo, kad paveikti ir jutimo nervai, kurie perduoda signalus iš odos į smegenis. Pacientai, įskaitant Mitchellą, pranešė, kad kai paliečiamos tam tikros jų perjungtų krūtinės raumenų sritys, jie jaučiasi taip, lyg būtų paliečiama jų trūkstama ranka. Uždėkite ledo kubelį ant krūtinės ir fantominė ranka sušals.

Kuikenas, Loebas ir kiti tiria būdus, kaip bioninė ranka galėtų panaudoti šią jutimo informaciją. Pirmiausia jiems reikės jutiklių, kurie gerai atlaikytų drėgmę, šilumą ir kitas fizines kasdienio gyvenimo sąlygas. Tada jie turės perduoti šią jutimo informaciją naudotojui.

Tačiau dabar aišku, kad pirmą kartą matomas naudingas rankos protezas. Mes nesistengiame padaryti bioniško žmogaus, galinčio šokinėti per aukštus pastatus ir pasiimti automobilius, sako Kuikenas. Mes stengiamės sukurti kažką, kas atkurtų dalį neįtikėtinos žmogaus galūnės funkcijos, galios ir efektyvumo. Žmonėms, kuriems buvo amputuota koja, pavyzdžiui, Claudia Mitchell, tai reiškia, kad turi galimybę, kurią kojos amputuoti turėjo daugelį metų.

Michaelas Rosenwaldas yra etatinis rašytojas Washington Post .

paslėpti